ТЕОРИЯ сварочных процессов

Виды элементарных связей в твердых телах и монолитных соединениях

Монолитность сварных соединений. В технике широко исполь­зуют различные виды разъемных и неразъемных соединений. Неразъемные соединения, в свою очередь, могут быть монолит­ными (сплошными) и немонолитными (например, заклепочные). Монолитные соединения получают сваркой, пайкой или склеива­нием.

Сварку и пайку в настоящее время используют для соедине­ния между собой металлов и неметаллов.

Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечива­ется появлением атомно-молекулярных связей между элементар­ными частицами соединяемых веществ.

Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находя­щихся во взаимодействии. Физико-химические и прочностные свойства твердого тела зависят от типа связи атомов и харак­тера их взаимного расположения, поэтому, прежде чем рассмат­ривать природу сварного соединения, следует вспомнить некото­рые сведения из физики твердого тела.

Виды элементарных связей в твердых телах. Характер и зна­чение энергии элементарных связей (их прочность) зависят от природы вещества и типа кристаллической решетки твердого тела.

Согласно современным представлениям, химическая связь атомов возникает в результате движения электронов внешних (валентных) оболочек атома в поле между ядрами. Каждый из этих электронов, проникая, например, в поле двух ядер, принад­лежит уже обоим атомам. Химические силы по своей природе электромагнитны и действуют на расстояниях порядка 10-1Ом.

В настоящее время считают, что между частицами твердого тела кроме электромагнитных существуют взаимодействия еще трех типов: ядерные, или «сильные», действующие на расстоя­ниях менее 10 ...10-14 м (следовательно, на расстоянии 0,1 нм

их можно не учитывать); «слабые», обусловливающие (5-распад

(они слабее электромагнитных в 10® раз); гравитационные, кото­рые в 1036 раз слабее электромагнитных.

Различают четыре типа элементарных связей: ковалентную, ионную, межмолекулярную и металлическую. В зависимости от преобладающих элементарных связей в кристаллах также разли­чают соответственно четыре группы связей: атомные, ионные, молекулярные и металлические.

Наиболее типичны первые две химические связи — ковалент­ная и ионная.

Ковалентную химическую связь часто в литературе называют валентной, атомной или обменной связью. Она может образо­ваться взаимодействием или «спариванием» валентных электро­нов. Если атомы одинаковы, например, в молекулах водорода Н2, щелочных металлов в газообразном состоянии Li2, К2, Na2, галогенов СІ2, Вг2, азота N2 — связь неполярная, при взаимо­действии разных атомов, например НС1, — полярная.

Сильная ковалентная связь с энергией порядка 105Дж/моль определяет высокую температуру плавления и прочность кри­сталлов. Ковалентной связью обусловлены структуры так назы­ваемых атомных кристаллов — алмаза, кремния, германия, серо­го олова и др.

Число образуемых атомом ковалентных связей в первом приб­лижении может служить количественной мерой валентности.

Каждая ковалентная связь между атомами образуется при спаривании их валентных электронов (с противоположными спинами). Поскольку валентные возможности атомов ограни­чены, важнейшее свойство ковалентной связи — насыщаемость химических сил сродства.

Для сварщиков важно иметь в виду, что прочные связи ковалентного типа устанавливаются не только в атомных кри­сталлах, но и при соединении металлов с металлоидами, окси­дами металлов, а также полупроводниками или интерметалли- дами, обладающими полупроводниковыми свойствами. Интерме - таллиды — соединения типичных металлов с металлами, имею­щими слабые металлические свойства.

Ионная, или гетерополярная, связь типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов (анионов и катио­нов). Типичный представитель ионных кристаллов — соль NaCl. Образование катиона — результат потери атомом электрона. Мерой прочности связи электрона в атоме может служить потен­циал ионизации атома (см. гл. 2).

Образование анионов происходит в результате присоединения электрона к атому. Мерой способности к такому присоединению служит так называемое сродство к электрону.

Ионная связь относится к категории сильных; ее энергия дос­тигает 105.. Л О7 Дж/моль. Особенность ионной связи — отсут­ствие насыщаемости и пространственной направленности.

Представления о чисто ковалентной и чисто ионной связях в значительной степени идеализированы. Часто встречаются про­межуточные случаи. Если при ионной связи один атом отдает электрон другому, а при ковалентной — каждый электрон при­надлежит поровну обоим связанным атомам, то в промежуточ­ных случаях возможны связи с любым «процентом ионности».

Кроме двух наиболее типичных химических связей — кова­лентной и ионной различают межмолекулярные связи, возникаю­щие вследствие действия универсальных сил Ван-дер-Ваальса, и металлические связи.

Межмолекулярные связи действуют между любыми атомами и молекулами, но они очень малы (порядка 103Дж/моль). По­этому молекулярные кристаллы, обусловленные этими силами (твердые инертные газы, молекулы кислорода, азота и др.), отличаются весьма низкой температурой плавления (Не— 1,8 К, Аг — 40 К)- Образование прочных структур обусловлено глав­ным образом сильными типично химическими связями, например ковалентной, а силы Ван-дер-Ваальса служат лишь небольшой «добавкой». Силами Ван-дер-Ваальса обусловлены обычно адге­зионные связи при склеивании, смачивании твердых тел жидко­стями и т. п.

Металлические связи образуют структуры путем взаимодейст­вия положительных ионов решетки (атомных остатков) и делока - лизированных, обобществленных электронов. Эти связи являются гомеополярными. Они по существу не относятся к химическим, и понятие «металлические связи» можно считать качественным, так как металлы не имеют молекулярного строения, а их атомы соединяются в кристаллические образования. Этот вид связи и обусловливает высокую прочность, пластичность и электропро­водность металлов. Энергия связи — около 105Дж/моль. Проч­ная металлическая связь наблюдается при образовании интер - металлидов и некоторых твердых растворов. Одна из ее особен­ностей — отсутствие насыщения, определяемого валентностью соответствующих атомов.

Металлическая связь по своей природе имеет значительное сходство с ковалентной связью. В обоих случаях электронные орбиты сливаются, но в металле происходит обобщение не от­дельных, а всех валентных электронных орбит. При этом уста­навливаются общие уровни энергии во всем объеме кристалла. Число уровней будет одного порядка с числом атомов в данном )бъеме металла. Уровни весьма близки между собой и образуют нергетические полосы или зоны, которые иногда рассматривают как расщепление валентных уровней (орбит) отдельных атомов.

Поскольку в металле существует как бы «облако» обобщен­ных электронов, металлическая связь допускает большее смеще­ние атомов, чем другие типы связей. Этим обусловливается высокая пластичность металлических кристаллов по сравнению с валентными или ионными кристаллами.

Все четыре типа связи в кристаллах (атомных, ионных, моле­кулярных и металлических) редко существуют в чистом виде. Обычно сочетания различных связей существуют одновременно,

ю

причем, как уже отмечалось выше, молекулярные связи слабы по' сравнению с остальными тремя. Следует также отметить, что поверхности твердых тел в атмосферных условиях обычно инерт­ны, так как валентности нх атомов насыщены связью с атомами окружающей среды. Примером насыщения может служить окис­ление веществ в газовой среде. На поверхности могут также идти процессы типа физической адсорбции, обусловленные сила­ми Ван-дер-Ваальса.